月亮之上我飛翔——記“嫦娥2號”衛(wèi)星成功發(fā)射

江愛國

(浙江省岱山中學(xué),浙江岱山 316200)

2010年10月1日18時59分57秒,隨著“嫦娥2號”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功升空,中國探月工程二期揭開序幕.作為工程二期的技術(shù)先導(dǎo)星,它的主要任務(wù)是為“嫦娥3號”實現(xiàn)月面軟著陸開展部分關(guān)鍵技術(shù)試驗,并繼續(xù)進行月球科學(xué)的探測和研究.它的成功發(fā)射極大地激發(fā)了國民對探月工程的關(guān)注熱情,現(xiàn)整合各種媒體資料,把此次發(fā)射的各技術(shù)特征及技術(shù)突破點做一總結(jié),供同行參考.

1 我國探月工程發(fā)展規(guī)劃

考慮到我國科技水平、綜合國力和國家整體發(fā)展戰(zhàn)略,2020年前,我國月球探測工程以無人探測為主,分3個實施階段.

“繞”:2004年～2007年(一期),研制和發(fā)射我國首顆月球探測衛(wèi)星,實施繞月探測.這一階段主要任務(wù)是研制和發(fā)射月球探測衛(wèi)星,突破繞月探測關(guān)鍵技術(shù),對月球地形地幔、部分元素及物質(zhì)成分、月壤特性、地月空間環(huán)境等進行全球性、整體性與綜合性的探測,并初步建立我國月球探測航天工程系統(tǒng).

“落”:2013年前后(二期),進行首次月球軟著陸和自動巡視勘測.主要任務(wù)是突破月球軟著陸、月面巡視勘察、深空測控通訊與邑操作、深空探測運載火箭發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù),研制和發(fā)射月球軟著陸探測器和巡視探測器,實現(xiàn)月球軟著陸和巡視探測,對著陸區(qū)地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造和物質(zhì)成分等進行探測,并開展月基天文觀測.“嫦娥3號”將于2013年前發(fā)射,并真正實現(xiàn)落月.“嫦娥3號”著陸后,將分為兩部分:著陸器和月球車.月球車將在月球表面巡游,著陸器則定點守候.月球車將在月球探測90天,并抓取月壤在車內(nèi)進行分析,得到的有關(guān)數(shù)據(jù)將直接傳回地球.“90天內(nèi),月球車巡游的范圍可達到5 km2.著陸器拍攝月球車巡游的圖像也能傳回到地面.月球赤道附近的虹灣地區(qū)是“嫦娥3號”著陸的首選.”

“回”:2020年前(三期),進行首次月球樣品自動取樣返回探測.主要任務(wù)是突破采樣返回探測器小型采樣返回艙、月表鉆巖機、月表采樣器、機器人操作臂等技術(shù);在現(xiàn)場分析取樣的基礎(chǔ)上,采集關(guān)鍵性樣品返回地球,進行試驗室分析研究;深化對地月系統(tǒng)的起源與演化的認識.

在“繞”、“落”、“回”均成功實現(xiàn)以后,我國再進行下一步的人登上月球的計劃.

2 “嫦娥2號”的技術(shù)創(chuàng)新與突破

一是突破運載火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù).“嫦娥1號”是先發(fā)射到地球附近的過渡軌道,再經(jīng)過自身多次調(diào)整進入奔月軌道;而“嫦娥2號”衛(wèi)星將由運載火箭直接送入近地點200 km,遠地點約38萬km的奔月軌道,這樣效率更高.“嫦娥1號”用了近 14天時間進入工作軌道,“嫦娥2號”5天以內(nèi)就可做到.相比嫦娥1號任務(wù),嫦娥2號任務(wù)對運載火箭推力要求更大,入軌精度和控制精度要求更高.

二是試驗X頻段深空測控技術(shù),初步驗證深空測控體制.“嫦娥2號”任務(wù)的飛行測控將首次驗證我國新建的X頻段深空測控體制.相比“嫦娥1號”任務(wù)中使用的S頻段衛(wèi)星測控網(wǎng),X頻段無線電傳輸信號頻率更高,遠距離測控通信效果更好.

三是驗證100 km月球軌道捕獲技術(shù).相比“嫦娥1號”在距月面200 km處被月球捕獲,“嫦娥2號”將在距月面100 km處進行制動,飛行速度更快,軌道更低,制動量更大,同時月球不均勻重力場對衛(wèi)星軌道的攝動影響也相應(yīng)增大,大大提高了對衛(wèi)星制動控制精度的要求.

圖1

四是驗證100 km×15 km軌道機動與快速測定軌技術(shù).“嫦娥2號”要驗證100 km×15 km軌道機動與快速測定軌技術(shù),測試將飛行軌道由100 km圓軌道調(diào)整為遠月點100 km、近月點15 km的橢圓軌道的能力.

五是試驗全新的著陸相機,數(shù)據(jù)傳輸能力大幅提高.“嫦娥2號”增加配置了降落相機,以檢驗對月成像能力,為“嫦娥3號”月面軟著陸做準(zhǔn)備.數(shù)據(jù)傳輸速率也由“嫦娥1號”的3兆每秒翻倍為6兆每秒,還將進行12兆每秒的傳播速率試驗.

六是對“嫦娥3號”預(yù)選著陸區(qū)進行高分辨率成像試驗.“嫦娥 1號”搭載的CCD相機分辨率為120 m.而“嫦娥2號”在100 km圓軌道和100 km×15 km軌道的近月點處,將分別對“嫦娥3號”的預(yù)選著陸區(qū)進行優(yōu)于10 m和1.5 m分辨率的成像試驗,分辨率有了很大提高.

3 “嫦娥2號”奔月旅程

(1)10月1日18時59分 57秒箭點火起飛,11 s后在控制系統(tǒng)的控制下,火箭開始轉(zhuǎn)彎.

(2)行約2 min,助推器分離.

(3)約30 s后,火箭一、二級分離.

(4)火箭沖出大氣層后,拋掉整流罩.

(5)關(guān)閉二級主發(fā)動機,與三級火箭分離,三級發(fā)動機點火.

(6)三級發(fā)動機關(guān)機,火箭開始滑行.

(7)滑行至預(yù)定位置,三級發(fā)動機點火加速,經(jīng)過末次修正,將衛(wèi)星直接送入近地點200 km、遠地點 38萬km的奔月軌道.

(8)三級發(fā)動機關(guān)機,星箭分離.

(9)太陽翼監(jiān)視相機開機,太陽翼展開(這是我國第一次實拍衛(wèi)星飛行過程中的太陽翼展開圖像).

(10)定向天線監(jiān)視相機開機,定向天線展開對地定向.

(11)為消除衛(wèi)星實際飛行的軌道誤差,在奔月過程中“嫦娥2號”視情況安排兩到3次軌道修正,保證衛(wèi)星準(zhǔn)確與月球軌道交匯.在修正過程中,衛(wèi)星發(fā)動機監(jiān)視相機開機,拍攝發(fā)動機點火過程.奔月過程中,衛(wèi)星將打開空間環(huán)境探測設(shè)備,獲取空間環(huán)境信息.衛(wèi)星還將適時進行紫外導(dǎo)航試驗.

(12)奔月飛行約112 h后,衛(wèi)星到達月球附近,衛(wèi)星進行最關(guān)鍵的一次軌道機動,即近月制動,一旦制動失敗衛(wèi)星將無法實現(xiàn)繞月飛行.在太空環(huán)境中實施制動,首先將衛(wèi)星調(diào)整方向,使發(fā)動機噴嘴對準(zhǔn)前進方向點火,實現(xiàn)減速.通過近月制動,衛(wèi)星飛行速度降低到月球逃逸速度以下,被月球捕獲后,進入近月點100 km、周期12 h的橢圓軌道,實現(xiàn)繞月飛行.

(13)衛(wèi)星于近月點實施兩次制動,逐步將軌道調(diào)整為100 km、周期117 min的月圓軌道,并在此軌道上開展探測活動.

(14)在環(huán)月探測飛行中,“嫦娥 2號”衛(wèi)星將適時開展100 km×15 km的軌道機動試驗,并對后續(xù)任務(wù)宏觀預(yù)選著陸區(qū),進行重點拍攝,獲取分辨率優(yōu)于1.5 m的高精度圖像.1-2天后,衛(wèi)星回到100 km環(huán)月圓軌道,開展環(huán)月球三維影像、月表物質(zhì)成分和分布、月壤特性、月球空間環(huán)境等科學(xué)探測活動.

4 月球探測工程系統(tǒng)組成

(1)衛(wèi)星系統(tǒng)“嫦娥2號”是月球探測衛(wèi)星工程系統(tǒng)中最重要的一環(huán),由中國空間技術(shù)研究院負責(zé)研制.該月球探測衛(wèi)星選用“東方紅3號”衛(wèi)星平臺,總質(zhì)量2 480 kg,設(shè)計壽命半年.該星體尺寸為2 000 mm×1 720 mm×2 200 mm.“嫦娥 2號”上天時,還要隨身攜帶 7種有效載荷,“7種武器”將幫助它完成一系列的科學(xué)探測任務(wù).“7種武器”包括:CCD立體相機、激光高度計、X射線譜儀、γ射線譜儀、微波探測器、太陽高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器.這“7種武器”可分為如下4類.

第1類是用來完成月球表面三維成像的,包括CCD立體相機和激光高度計.當(dāng)年的“嫦娥1號”也有相機和激光高度計,但此次“嫦娥2號”的任務(wù),這兩個東西都重新研制了.“嫦娥1號”相機的分辨率是120 m,現(xiàn)在的分辨率要求小于10 m.激光高度計原來是1 s測1次,這次是1秒鐘測5次.

第2類是用來探測月球表面物質(zhì)的化學(xué)成分的,包括X射線譜儀、γ射線譜儀.“嫦娥 1號”也有這兩種載荷,但此次γ譜儀的探測晶體靈敏度提高了,對X射線譜儀的譜段的選擇也做了一些調(diào)整,應(yīng)該能得到更好的探測結(jié)果.“嫦娥1號”探測的元素有14種,此次調(diào)整為重點探測 3種月表天然放射性元素和6種主量造巖元素的含量.

第3類是用于月壤探測的微波探測器.這是中國探月衛(wèi)星的特點——國外的月壤探測沒有采用微波頻段,只能看到表面,沒法穿透,我國采用4個微波的頻段可以穿透月壤.這個微波探測器沒有做太大改動,但是微波的特點是統(tǒng)計性的,數(shù)據(jù)越多分辨率越高,“嫦娥2號”探測結(jié)果會改進“嫦娥1號”所獲得的一些數(shù)據(jù).

第4類是用于探測地月空間環(huán)境的,包括太陽高能粒子探測器、太陽風(fēng)離子探測器.這兩個探測器也沒怎么變.由于現(xiàn)在正處在第 24個太陽風(fēng)年,太陽活動比“嫦娥1號”發(fā)射時劇烈,所以“嫦娥2號”的這兩個探測器還肩負著對新的太陽風(fēng)年進行探測的使命.

“嫦娥2號”比“嫦娥 1號”少了一種干涉成像光譜儀.“嫦娥1號”的相機分成CCD相機與干涉成像光譜儀兩部分,經(jīng)過“嫦娥1號”的測試,我國研制人員覺得干涉成像光譜儀能夠提供的信息不多,所以把它去掉,換成一臺高分辨率的相機.

(2)運載火箭系統(tǒng)

由中國運載火箭技術(shù)研究院負責(zé)研制.該火箭全長52.52 m,最大直徑3.35 m.這是這種推力更大的新型火箭第一次用于探月發(fā)射,也是長征系列火箭的第131次飛行.由于該火箭擁有更靈活先進的控制系統(tǒng),可以在星箭分離前對有效載荷進行大姿態(tài)調(diào)姿定向,并提供可調(diào)整的衛(wèi)星起旋速率,因而具有很強的適應(yīng)性.“長征3號丙”就像金牌火箭“長征3號甲”的孿生兄弟,只是多出兩個助推器,如同兩枚尾翼鑲嵌在芯一級底部——這種“非全對稱”式的外形,在“長征”系列火箭里是唯一的.該結(jié)構(gòu)上的變化,把火箭的運載能力從2.65 t提升到了3.8 t.

之所以改用“長征3號丙”火箭作為“嫦娥2號”衛(wèi)星的運載工具,是為了實現(xiàn)工程的第一項目標(biāo):突破火箭直接將衛(wèi)星發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射技術(shù).縮短衛(wèi)星的奔月路程和時間,看上去是多“送”了衛(wèi)星一程,其實是以更大的推力給了衛(wèi)星更高的初始速度.從運載能力上看,“長征3號甲”火箭的標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力是2 600 kg,“長征3號乙”是我國目前最大的高軌道運載火箭,它的運載能力達到了5 500 kg.“長征3號丙”的運載能力達到了3 800 kg.為什么“嫦娥 2號”選擇“長征3號丙”火箭呢?主要是因為“嫦娥2號”的起飛重量是2 480 kg,不必使用“長征3號乙”;但“嫦娥2號”要直接進入地月轉(zhuǎn)移軌道,而“長征3號甲”的運載能力不足以把衛(wèi)星送入地月轉(zhuǎn)移軌道,所以最后選擇使用“長征3號丙”.

(3)發(fā)射場系統(tǒng)

發(fā)射場系統(tǒng)由西昌衛(wèi)星發(fā)射中心負責(zé)建設(shè),選在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心其中一個原因是其緯度低,能夠更好地利用地球自轉(zhuǎn)速度發(fā)射大推力火箭.發(fā)射場是嫦娥衛(wèi)星飛天的港灣,也是火箭、衛(wèi)星的“體檢中心”和“加油站”.為確?！版隙?號”發(fā)射成功,發(fā)射場進行了包括更新測量雷達、更新遙測系統(tǒng)、改造光學(xué)儀器、優(yōu)化加注系統(tǒng)等在內(nèi)的上百項技術(shù)改進,提高了可靠性和整體發(fā)射能力.

發(fā)射零窗口”是關(guān)鍵詞之一.所謂“零窗口”,即指在預(yù)先計算好的發(fā)射時間,分秒不差地將火箭點火升空,不允許有任何延誤與變更.在“零窗口”發(fā)射時火箭的發(fā)射時間幾乎沒有調(diào)整的余地,通常采用定時控制火箭點火的辦法來實現(xiàn)“零窗口”的發(fā)射.如果火箭不能準(zhǔn)時發(fā)射,則要推遲發(fā)射,等待下一次發(fā)射窗口,甚至要推遲一天或若干天才能發(fā)射.所以“零窗口”發(fā)射對火箭可靠性提出了更高的要求.

與“嫦娥1號”一樣,“嫦娥 2號”發(fā)射瞄準(zhǔn)的是“零窗口”.在35 min的窗口時間內(nèi),“零窗口”發(fā)射能比按照窗口后沿發(fā)射節(jié)省180 kg衛(wèi)星燃料.對于所攜燃料僅為1 300多 kg的“嫦娥2號”衛(wèi)星來說,這一點彌足珍貴.

(4)測控系統(tǒng)

它由西安衛(wèi)星測控中心和總裝測通所負責(zé)建設(shè).精確測軌和準(zhǔn)確的軌道控制,是“嫦娥 2號”測控的最大難點.增加一艘遠洋測量船,優(yōu)化軌道控制策略,研制S/X頻段統(tǒng)一測控系統(tǒng),改造青島站和喀什站……測控系統(tǒng)的種種改進,都是圍繞這一點.同時,測控系統(tǒng)預(yù)設(shè)了衛(wèi)星入軌異常、變軌未能實施或滯后實施、發(fā)動機故障等共106種預(yù)案故障模式,制定了153種故障處理對策.

更令人矚目的是“嫦娥2號”肩負的一項重要任務(wù)——驗證對“嫦娥3號”至關(guān)重要的X頻段測控技術(shù).

X頻段具有頻率高、傳輸帶寬寬等特點,是未來深空探測的主用頻段.在“嫦娥2號”衛(wèi)星上搭載X頻段應(yīng)答機,與中國X頻段地面測控設(shè)備配合驗證X頻段測控體制,將為“嫦娥3號”任務(wù)積累測控經(jīng)驗,為未來更遠的深空探測奠定技術(shù)基礎(chǔ).

(5)地面應(yīng)用系統(tǒng)

該系統(tǒng)由中科院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心負責(zé)研制和建設(shè),由數(shù)據(jù)接收、運行管理、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)管理、科學(xué)應(yīng)用與研究5個分系統(tǒng)組成.

以前,我國在上海佘山和烏魯木齊分別擁有一個直徑25 m的天線,它們只能有4～6個小時可以用來接收衛(wèi)星上的信息.為了探月工程計劃的順利實施,我國又在北京和昆明分別設(shè)兩個直徑為50 m(國內(nèi)最大的)和40 m的天線.這樣在我國的國土上,可用4個天線交叉干涉對近40萬km遠的嫦娥系列衛(wèi)星進行測控,并為應(yīng)對外界的干擾因素、意外因素,留有應(yīng)急的能量.